Специалисты из Университета Западного Онтарио в области биологии создали инновационную технологию воссоздания звуков, которые издают сверчки, опираясь на особенности строения их крыльев. В основе метода лежат результаты измерений, полученные с помощью сохранённых образцов, а также компьютерное моделирование.
В журнале Royal Society Open Science появились новые рекомендации, которые были созданы профессором Наташей Мхатре, занимающей пост председателя Канадского исследовательского центра по изучению нейробиологии беспозвоночных. В разработке рекомендаций также участвовали три бывших студента лаборатории профессора Мхатре, которая занимается исследованием биофизики коммуникации насекомых и пауков.
В недавнем исследовании Мхатре и её коллеги разработали компьютерную модель, которая более точно учитывает физические особенности крыльев сверчков, чем предыдущие попытки. Эта модель позволяет прогнозировать точные паттерны колебаний крыльев, включая те, которые не были использованы для создания модели.
Ученые часто используют сохраненные образцы для изучения эволюционной истории и генетики. Однако воссоздание звуков вымерших или умерших птиц и млекопитающих, включая человека, является сложной задачей, так как их звуки создаются голосовым аппаратом, который контролируется мозгом и состоит из мягких тканей, редко сохраняющихся в ископаемом виде. Сверчки же "поют" иначе.
Звуки сверчков не являются вокализацией, а создаются механикой вибрации передних крыльев. Эти прочные, кожистые крылья служат защитными щитками и содержат специализированные микроструктуры, необходимые для создания звуков. Важно, что расположение жилок на передних крыльях определяет частоту или высоту звука.
"Каждое крыло сверчка имеет свой неповторимый узор жилок, который играет ключевую роль в создании звуков. Некоторые жилки генерируют энергию, которая заставляет крыло вибрировать. Другие жилки укрепляют определённые участки крыла и формируют резонансные структуры, которые вибрируют на определённых частотах", – объяснила Мхатре.
Мхатре и другие исследователи в течение многих лет пытались использовать биоакустику и метод конечных элементов (численный метод решения дифференциальных уравнений) для понимания звуков сверчков с целью прогнозирования вибраций крыльев и звукового производства.
Тысячи крыльев сверчков хранятся в музеях, и их эволюционные взаимосвязи хорошо изучены, что делает этот подход идеальным для прогнозирования их звуков и исследования эволюции сигналов.
Ранее в 2012 году Мхатре и ее коллеги представили модель в статье, опубликованной в PNAS, где использовались упрощенные предположения. Однако эта модель закрепляла крылья в точках с высокой плотностью жилок, а не только у основания, как это происходит в природе. Это упрощало расчеты, но не отражало реального поведения крыльев.
"У нас не было объективного способа определить, что считать 'высокой плотностью' жилок", – отметила Мхатре.
В новом исследовании команда разработала модель, которая более точно отражает физические характеристики крыльев и закрепляет их только у основания. Модель, основанная на Teleogryllus oceanicus (австралийский полевой сверчок), теперь может предсказывать точные паттерны вибраций крыльев без упрощений и даже прогнозировать поведение новых крыльев, не учтенных при создании модели.
Авторы также исследовали использование сохраненных образцов для реконструкции звуков. Они обнаружили, что высушенные крылья сверчков, такие как музейные экземпляры, имеют схожие паттерны вибраций с живыми сверчками, но резонируют на неправильной частоте из-за затвердевания материала крыльев. Правильную частоту можно восстановить, увлажнив крыло или искусственно снизив жесткость в компьютерной модели.
"Мы создали более эффективный способ воссоздания звуков сверчков, опираясь на их строение и применяя компьютерное моделирование и архивные записи", – заключила Мхатре.